智能仪器原理与设计- (8)

优点：在多路开关之前，给每路信号各加一个采样/保持器，使多 路信号的采用在同一时刻进行，即同步采样。然后由各自的保持 器保持着采样信号幅值，等待多路开关分时切换进入公用的A/D转 换器将保持的采样幅值转成数据传送给CPU。这样可以满足同步 采集的要求，又比较简单。
缺点：在被测信号路数特别多的情况下，同步采得的信号在保持 器中保持的时间会加长，而保持器总会有一些泄漏，使信号有所 衰减，由于各路信号保持时间不同，致使各个保持器衰减量不 同，因此，严格的说，这种结构还是不能获得真正的同步。
A
阻带
通带
fL f0 fH
f
A 通带
阻带
fH f0 fL
f
对于一个理想的滤波器，通带内的 各频率点的信号应原样通过，阻带内的 A 频率点的信号应衰减为零。实际滤波器 是非理想的，例如，从频率特性上看， 通带和阻带之间不是以一个频率点划分 的，而是从通带过渡到阻带的。
通带 阻带
fH
f
3.3.2低通滤波器
3.2.3程控增益放大器
当传感器输出信号的变化范围很宽时，为将传感器输 出信号调整到适合A/D转换的信号量级以提高数据采集的 精度，放大器的增益必须随传感器输出信号的变化而变化 。
在智能仪器中，由微控制器执行相应程序来控制放大 器增益的变化，这种增益由程序控制的放大器称为程控增 益放大器。
程控增益放大器一般由通用运算放大器、电阻和开关 网络组成。放大器的增益由输入程控数字量决定，从而实 现放大器的增益通过程序来控制。
V1°
V4
A1
V3 R4
R5
R1 RG IG
R2
A3
° VO
V5
R6
V2 °
A2
V6
R7
图3.6 仪用放大器
V1°
V4
A1
V3 R4
R5
R1 RG IG
R2
V7
A3
V7
已知:
R1=R2，
R4=R6，
° VO
R5=R7； 求闭环增益Af。
V5
R6
V2 °
A2
V6
R7
图3.6 仪用放大器
V1 −V2 = V3 −V6
RG
R1 + R2 + RG
V3
− V6
=
R1
+
R2 + RG
RG
(V1
−V2 )
=
⎛ ⎜ ⎝
2R1 RG
⎞ + 1⎟Vi
⎠
V3 − V7 = V7 −Vo
R4
R5
V6 −V7 = V7 − 0
R6
R7
⎛ ⎜ ⎝
2R1 RG
⎞ + 1⎟Vi
⎠
=
−
R4 R5
Vo
V3
− V7
=
R4 R5
(V7
− Vo
)
不同智能仪器对其数据采集系统的被测信号的通道数及 信号变化的快慢程度（信号带宽）常有不同的要求，因此 仪器中数据采集系统的配置方案也有多种。图3.1至图3.4给 出了智能仪器中常见的多通道数据采集系统的配置方案。
（1）集中式
被 X1° 信 号 调 理
模 拟
测 X2° 信 号 调 理 多
信
路
号 Xn° 信 号 调 理
信号通过，其余频段的信号则被滤波器抑制而急剧衰减。 由于智能仪器的被测信号中常叠加有噪来自百度文库，因此信号滤波 成为智能仪器数据采集系统中的一个必要环节，用滤波器 来抑制叠加在有用信号上的噪声。
3.3.1 概述
z 滤波器按结构分为无源滤波器和有源滤波器。 仅由电阻、电容、电感等无源器件构成的滤波器称为
无源滤波器； 由无源网络和运放构成的滤波器称为有源滤波器。
智能仪器中的被测物理量以缓变量居多，此时宜 采用低通滤波器。 3.3.2.1 RC低通滤波器（无源）
RC低通滤波器按其结构可分为L型、П型和T。
可推导出它们具有相同的传递函数：
（2）分散式（分布式）
被 X1° 测 X2° 信
号 Xn°
信号 调 理 信号 调 理
信号 调 理
采样/保持 采样/保持
采样/保持
ADC ADC
ADC
接口信号 通道选择信号 CPU
图 3.4 带独立采样/保持器和 ADC 的多通道数据采集系统结构
数据采集系统每个通道不再采用分时共享的电路环节，数据采集的 时间主要取决于采样/保持器的捕获时间和ADC的转换时间。当 然，该系统的结构相对复杂、成本相对较高。但随着微电子技术的 飞速发展，目前已有多款在一个芯片内封装了由多组独立的采样/ 保持器和ADC组成的多通道数据采集芯片，该类芯片减小了图3.4 所示结构形式的数据采集系统的体积，降低了系统的成本，提高了 采集精度。
开 关
ADC
接口信号 CPU
通道选择信号
图 3.1 无采样保持器的多通道共享 ADC 的数 据采集系统结构
适用于测量多通道直流或低频信号。
被 X1° 信 号调 理
模 拟
测 X2 ° 信 号调 理 多
信
路
号
开
Xn° 信 号 调 理 关
采样 /保持
ADC
接口信号
采/保控制信号 CPU 通道选择信号
图 3.2 多通道共享采样/保持器和 ADC 的数据采集系统结构
A
阻带 通带
fL
f
（3）带通滤波器。通带位于两个有限 非零的上限和下限频率之间。显然， 带通滤波器只允许规定的某频段信号 通过，阻止高于和低于该频段信号通 过。 （4）带阻滤波器。阻带位于两个有限 非零的上限和下限频率之间。显然， 带阻滤波器只阻止规定的某频段信号 通过，允许高于和低于该频段信号通 过。
程控增益运算放大器的工作原理图。
图中，各支路开关Si的通断受输入二进制数 ( ) d3d2d1d0 2 的
相应位d i控制。
di = 1, Si 接通， di = 0, Si断开
开关通断状态的不同，运算放大器输入端等效电阻的大小 也不同，从而使运算放大器的闭环增益随输入二进制数的 变化而变化。
增益变化范围？
第三章 智能仪器中模拟量的输入/输出
概述
z 模拟量输入（数据采集）的实质是，把传感器输出 的（或由其他方式得到的）模拟电信号经必要的处理 ，转换成数字信号。 z 模拟量输出（数据分配）是数据采集的逆过程，即 把计算机输出的数字信号变成模拟电信号，并分配给 各个通道。
本章主要内容——模拟量输入/输出
CPU
波
等
模
采
拟
样
多
保
路
持
开
器
关
信号调理：在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信 号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化 处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理 （Signal Conditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。
在智能仪器中，还需要一些特殊运放，如仪用放大器、 程控放大器和隔离放大器（第7章讲）等功能更为专用的集 成运算放大器。
3.2.2 仪用放大器
当传感器工作在复杂和恶劣环境时，在传感器的两个输 出端会伴随较大的干扰信号，当两端的干扰信号完全相同时 ，即为共模干扰。因此要求后续的放大电路有很高的共模抑 制比，利用共模抑制比将信号从干扰信号中分离出来。
z 信号通过滤波器被抑制的信号频段称为阻带，被传输 的信号频段称为通带。
滤波器按处理信号的频带可分为： A （1）低通滤波器。通带从零延伸至某
通带 阻带
一规定的上限频率。显然，低通滤波
器只允许低频信号通过，阻止高频信
号通过。
fH
f
（2）高通滤波器。通带从某一规定的 下限频率延伸至无穷。显然，高通滤 波器只允许高频信号通过，阻止低频 信号通过。
在制造集成运放时如果强化某些指标就产生了一些特殊 运算放大器。例如： z 高速型（LM318、μA715、μA722、LH0032等）； z 低失调、低漂移型（AD508、OP07、OP27、ICL7650、 μA725等）； z 低失调、低噪声型（OP37、ICL7652等）； z 高输入阻抗型（LF356、LF357、LM216、μA740等）等。
3.1多通路数据采集的配置方案 3.2 信号放大 3.3 信号滤波 3.4 采样保持器和模拟多路开关 3.5 模数/转换器 3.6 数模转换器
3.1 多通道数据采集系统的配置方案
一个最基本的数据采集系统(DAS, Data Acquisition System)
传 感 器
放 大 ， 信号调理滤
ADC
理想的集成运放特性：
z输入失调电压及其温度漂移、时间漂移和随电源电压的漂移为零 ； z输入偏置电流、失调电流以及它们的温度漂移、时间漂移和随电 源电压的漂移为零； z输入噪声电压及噪声电流为零； z开环差模电压增益为无限大（Avo=∞）； z共模抑制比为无限大（CMMR=∞）； z差模及共模输入电阻为无限大（Rid=∞，Ric=∞）； z开环输出电阻为零（Ro =0）； z开环带宽为无限大（fBW=∞）； z上升速率为无限大（SR=∞）； z建立时间为零（ts=0）。
-1~ -15
I
I
= VIN R
d0
+
VIN 1R
d1
+
VIN 1R
d2
+
VIN 1R
d3
=
0 −VO R
2
4
8
A = VO VIN
= − (8d3 + 4d2 + 2d1 + d0 )
( ) ( ) = − 23 d3 + 22 d2 + 21 d1 + 20 d0 = − d3d2d1d0 2
3.3信号滤波 滤波器是具有选频功能的电路环节，它能让指定频段的
号 Xn°
信 号调 理 信号 调 理
信 号调 理
采样/保持 采样/保持
采样/保持
模 拟 多 ADC
接口信号
路 开
通道选择信号 CPU
关
采/保控制信号
图 3.3 带独立采样/保持器的多通道共享 ADC 的数据采集系统结构
各个输入信号在同一时刻进行保持，然后利用多路开关对各采样/ 保持器所记忆的信号轮流分时转换。
z共模抑制比CMRR； z额定输出电压Vomax； z额定输出电流Iomax； z差模输入电阻Rid； z共模输入电阻Ric； z开环输出电阻Ro； z开环带宽BW（fBW）； z单位增益带宽（fGB）； z静态功耗Ps； z最大功率带宽fP； z电源电压抑制比PSRR。
（2）交流技术指标 z 上升速率SR； z 建立时间ts； z 输入等效噪声电压ein。 z 单位增益带宽
一个完整的多通道数据采集系统（DAS，Data Acquisition System） 涉及信号调理（主要是指信号放大和滤波） 、模拟多路开关、采样/ 保持器、模/数转换器等环节。
3.2 信号放大
3.2.1 概述 在智能仪器中，为实现对现场物理量的测量，通常会经
过如下几个过程： z信号获取：通过传感器把非电被测量转换成电量。 z信号放大：由于传感器输出的信号一般都很微弱，无法直 接对其进行A/D转换，故需先对其进行放大。 z信号滤波：正常信号中通常会含有干扰信号的存在，通过 滤波可保留有效信号，去除干扰和杂信号。
V6
− V7
=
R6 R7
V7
=
R4 R5
V7
V3
− V6
=
R4 R5
( −Vo
)
Af
= Vo Vi
=
−
⎛ ⎜1+ ⎝
2R1 RG
⎞ ⎟ ⎠
R5 R4
仪用放大器闭环增益为：
Af = - (1+2R1/RG)R5/R4
假设R4=R5。则 Af = - (1+2R1/RG)
通过调节电阻RG（一般是外接），可改变仪用放大 器的闭环增益。
适用于多通道变化频率较高的信号的测量。
优点：多路信号公共使用一个S/H和A/D转换器， 简化了电路结构，降低了成本。
缺点：对信号的采集是由模拟多路开关分时切换、 轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被 采集的，不能获得同一时刻的数据，对于要求多路 信号严格同步采集测试的系统是不适用的。
被 X1° 测 X2° 信
智能仪器中信号放大主要由集成运算放大器完成。主要 性能指标有静态技术指标和交流技术指标两类。（自学）
（1）静态技术指标 z输入失调电压Vos； z输入失调电压的温度漂 dVos/dT； z输入偏置电流Ib； z输入失调电流Ios； z输入失调电流的温度漂 dIos/dT； z最大差模输入电压 Vid； z最大共模输入电压 Vicm； z开环差模电压增益 Avo；
单个运放组成的基本放大器综合性能指标一般都不高，只 能用在要求不高，条件不太恶劣的场合。
仪用放大器是一种精密的差动电压增益器件，由于它具有 高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失 调电压和高稳定增益等特点，使其在微小信号检测系统中被广 泛用作前置放大器。
仪用放大器的结构原理如图3.6所示，它由三个通 用运放构成，第一级为两个对称的同相放大器，第二 级是一个差分放大器（图中R1=R2，R4=R6， R5=R7）。 由于A1和A2为近似相同的同相放大器， 由共模电压引起的输出也近似相等，差动放大器A3相 差后可以补偿掉A1和A2共模电压引起的误差。这时放 大器的共模误差主要取决于A3的共模抑制比。由于 A1A2具有相同的温度漂移特性，通过差动放大器A3 的相减作用而达到补偿，改善了其温度特性。